Метан и вода на Марсе: опубликованы итоги первого года работы аппарата TGO ExoMars

Астрономы подвели первые итоги работы зонда, призванного искать на Красной планете "вещества жизни". В частности, составлена рекордно подробная карта распределения воды в грунте и атмосфере Марса. А вот метан, вопреки предыдущим измерениям, не обнаружен, и теперь учёные пытаются понять, почему.

"Вести.Наука" (nauka.vesti.ru) подробно рассказывали об аппарате Trace Gas Orbiter (TGO), составной части проекта ExoMars. Напомним, что это орбитальный зонд, задача которого – искать на Марсе воду, метан, кислород, озон и перекись водорода. Все эти вещества потенциально связаны с обитаемостью планеты в прошлом или настоящем.

Напомним, что зонд был запущен в марте 2016 года и примерно через полгода вышел на орбиту Красной планеты. Затем он более года постепенно сбрасывал скорость за счёт сопротивления атмосферы, чтобы снизиться и выйти на орбиту высотой 400 километров (на такой же высоте над Землёй находится МКС). В итоге в конце апреля 2018 года аппарат вышел на расчётную траекторию и приступил к научным наблюдениям.

На борту TGO имеется нейтронный детектор FREND, созданный в Институте космических исследований (ИКИ) РАН. Он измеряет количество водорода в верхнем метре марсианского грунта. (Понятно, что основным резервуаром водорода является водяной лёд и гидратированные минералы.)

"Всего за 131 день прибор позволил создать карту с более высоким разрешением, чем та, которая была выпущена по итогам 16 лет наблюдений его предшественника, расположенного на борту Mars Odyssey, запущенного NASA, и она будет улучшаться, – говорит Игорь Митрофанов из ИКИ РАН, главный исследователь команды FREND.

Составленная предварительная карта выявила наличие "влажных" и "сухих" областей размером в сотни километров. Значительные запасы воды обнаружены не только в полярных областях, но и на экваторе. Полное же "водное картирование" Марса должно занять около двух лет.

"Данные постоянно улучшаются, и мы в конечном итоге получим эталон, который будет использоваться для картирования богатых водой подповерхностных материалов Марса. Они важны для понимания общей эволюции на Марсе и того, где присутствует вода на сегодняшний день", – отмечает Митрофанов.

Научная статья с результатами этой работы вышла в Докладах научной сессии общего собрания Отделения физических наук РАН и доступна в виде PDF-файла.

Если воды обнаружили больше, чем ожидали, то с метаном ситуация обратная.

Напомним, различные аппараты, в том числе марсоход "Кьюриосити", фиксировали присутствие этого газа в атмосфере планеты. Этот факт очень интриговал астрономов, так как метан в марсианских условиях должен разрушаться излучением Солнца за несколько сотен лет. Значит, это вещество не циркулирует в атмосфере со времён юности планеты: должен существовать источник, выделивший его относительно недавно.

Таким источником могли бы быть живые организмы (они вырабатывают 95% этого газа на Земле). Это могли быть и вулканы, и это тоже весьма интригующая гипотеза. До сих пор ни на одной планете, кроме Земли, не находили действующих вулканов. Наконец, речь может идти о законсервированных в грунте запасах метанового льда, которые постепенно тают. В этом случае получается, что в древнем прошлом Марс был богат органикой и, возможно, обитаем.

На борту TGO имеются высокоточные спектрометры ACS и NOMAD (первый из которых также создан в ИКИ). Эти инструменты определяют химический состав атмосферы и, в частности, измеряют содержание метана. Однако, к удивлению учёных, метана они не обнаружили вообще.

Это значит, что содержание CH₄ в атмосфере планеты ниже пределов обнаружения. То есть на каждую сотню миллиардов молекул местного "воздуха" не более пяти приходится на это вещество. Это в 10–100 раз меньше, чем можно было ожидать, исходя из данных предыдущих измерений. Для сравнения: на Земле из каждого миллиарда молекул воздуха 1800 – частицы метана.

Похоже, что органический газ, зафиксированный марсоходами в приземных слоях, не поступает в более высокие области атмосферы.

"Нам нужно найти механизм, который эффективно разрушает метан вблизи поверхности планеты", – заключает Олег Кораблёв из ИКИ РАН, первый автор научной статьи, опубликованной в Nature.

Ещё один интересный результат касается распределения в атмосфере водяного пара и его взаимодействия с пылью. Астрономам повезло: всего через два месяца после выхода TGO на рабочую орбиту началась всепланетная пыльная буря, та самая, что оборвала долгую жизнь марсохода "Оппортьюнити". Планетологи получили возможность наблюдать это редкое явление от зарождения до угасания.

"В северных широтах мы увидели такие объекты, как пылевые облака на высотах около 25–40 км, которых раньше не было, а в южных широтах мы увидели слои пыли, достигающие ещё больших высот", – рассказывает Энн Вандэле (Ann Vandaele) из Королевского бельгийского института космической аэрономии, лидер группы, опубликовавшей ещё одну статью в Nature.

Прежде всего специалистов интересовало, как запылённость атмосферы повлияет на распределение водяного пара. Учёным важно это выяснить, чтобы понять, как меняются запасы воды на Марсе со временем.

Приборы ACS и NOMAD измерили концентрацию обычной воды (H₂O) и полутяжёлой воды (HDO), содержащей один атом обычного водорода и один атом дейтерия. Измерения коснулись разных слоёв атмосферы, от поверхности и вплоть до высоты в 80 километров. Последняя отметка и на Земле-то считается границей открытого космоса (по стандартам ВВС США), а уж на Марсе, где плотность газовой оболочки составляет 1% от земной, тем более допустимо полагать, что зонд просканировал атмосферу Красной планеты насквозь.

По данным наблюдений TGO до и после пыльной бури, в условиях спокойной атмосферы водяной пар не поднимается выше 40 километров. На этой черте образуются облака из водяного льда, которые аккумулируют его запасы. А вот во время глобального шторма такие облака не появлялись, и водяной пар регистрировался вплоть до высоты в 80 километров.

"Увеличение количества водяного пара в атмосфере произошло удивительно быстро, всего за несколько дней с начала шторма, что указывает на быструю реакцию атмосферы на пыльную бурю", – добавляет Вандэле.

Этот наблюдательный факт подтверждает модели теоретиков. Во-первых, во время пыльной бури поднимается температура "воздуха", так как пылинки сильнее нагреваются солнцем, чем газ. Во-вторых, "идеальный шторм" усиливает разницу температур между экваториальными и полярными областями. Из-за этого циркуляция атмосферы ускоряется. Оба этих фактора препятствуют образованию облаков на отметке в 40 километров, поэтому водяной пар может проникать выше и в конце концов улетучиваться в космос.

Астрономы давно подозревали, что большие пыльные бури постепенно обезвоживают и без того достаточно сухой Марс, но подтвердить свои расчёты смогли только благодаря TGO.

"Мы в восторге от первых результатов, полученных с помощью Trace Gas Orbiter, – заключает Хокан Сведхем (Hakan Svedhem) из Европейского космического агентства. – Наши приборы работают очень хорошо, и даже в течение первых нескольких месяцев наблюдений уже предоставили прекрасные данные на гораздо более высоком уровне, чем был достигнут ранее".